基于GIS和物聯(lián)網(wǎng)的濕地生態(tài)感知系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

石曉剛，張海燕，尹大東

（1.肅南縣林業(yè)草原濕地保護中心，甘肅 肅南 734499；2.云南這里信息技術有限公司，云南 昆明 650224）

0 引言

濕地是由水文、土壤和森林等相互作用構成的特有生態(tài)系統(tǒng)，與人類的生存與發(fā)展息息相關，也是國家生態(tài)安全體系的重要組成和社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要基礎[1]。濕地作為一個復雜的生態(tài)系統(tǒng)，環(huán)境信息能夠被實時、快速、智能化地監(jiān)測是實現(xiàn)其精細化管理的重要基礎。隨著3S 技術[2]、物聯(lián)網(wǎng)[3]、云計算[4]以及大數(shù)據(jù)[5]等新一代信息技術的發(fā)展并被不斷地應用于生態(tài)環(huán)境各個領域，尤其在當前“互聯(lián)網(wǎng)+”時代，生態(tài)保護工作己進入大數(shù)據(jù)、智能化階段，生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測亟需物聯(lián)網(wǎng)、GIS 及大數(shù)據(jù)等技術的全方位融合。其中GIS 技術的開發(fā)應用是實施智能化監(jiān)測的關鍵技術之一，其強大的數(shù)據(jù)管理與運算、空間查詢與分析功能，能夠為濕地生態(tài)系統(tǒng)的智能監(jiān)測與管理提供技術和決策支持[6]。2015年國務院發(fā)布《關于積極推進“互聯(lián)網(wǎng)+”行動的指導意見》，提出將互聯(lián)網(wǎng)與生態(tài)文明建設深度融合，針對森林、草原、濕地等各類生態(tài)要素監(jiān)測方面，充分利用GIS 等技術，結合互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析和云計算平臺，實現(xiàn)資源環(huán)境動態(tài)監(jiān)測、信息互聯(lián)共享[7]。

傳統(tǒng)的對濕地生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測主要以人工監(jiān)測和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的方式進行，不但耗時費力，而且監(jiān)管效率低下。隨著遙感技術的發(fā)展，濕地環(huán)境監(jiān)測手段發(fā)展為地-空相結合的方式[8]。但由于基于衛(wèi)星遙感的監(jiān)測尺度有限且受限于天氣和空間分辨率的影響，對濕地生態(tài)監(jiān)測的精準化和信息化應用略顯不足，特別是立體化監(jiān)測體系很不完善，對濕地生態(tài)環(huán)境及水文水質、氣象等各項參數(shù)不能快速有效地進行監(jiān)測和分析。國內外陸續(xù)建立了以GIS 技術為支持的地面監(jiān)測系統(tǒng)，包括生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測[9]、作物病蟲害監(jiān)測[10]、空間信息管理與決策支持[11-13]等。而在濕地生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的研究中，有關GIS 技術與物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)技術的優(yōu)化集成、物聯(lián)網(wǎng)實時監(jiān)測信息與GIS 空間信息的融合分析等方面的應用研究較少，缺乏對生態(tài)監(jiān)測中海量數(shù)據(jù)的智能化處理與分析，這將不利于推動GIS、互聯(lián)網(wǎng)等技術與生態(tài)文明建設的深度融合發(fā)展。因此，研究將GIS 技術與物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術相結合，采用B/S（Browser/Server）模式架構和Spring Cloud 開發(fā)框架建立濕地生態(tài)綜合監(jiān)測平臺，實現(xiàn)集“空地一體”監(jiān)測、濕地環(huán)境數(shù)據(jù)采集與傳輸、生態(tài)大數(shù)據(jù)智能分析以及決策支持等為一體的濕地生態(tài)感知系統(tǒng)平臺，為濕地管理智能化、信息化提供決策支持和科學依據(jù)。

1 用戶需求分析

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”、GIS 技術和大數(shù)據(jù)技術的日趨成熟，生態(tài)環(huán)境管理者不滿足于監(jiān)測手段單一性以及海量數(shù)據(jù)的處理，濕地管理需求向多元化發(fā)展，業(yè)務更加趨于信息化、智能化，因此對傳感器終端的信息采集與實時上報以及海量數(shù)據(jù)的智能處理分析等需求愈加強烈。

（1）基于物聯(lián)網(wǎng)傳感器的數(shù)據(jù)采集與傳輸需求。用戶通過布設的傳感器進行數(shù)據(jù)采集與實時傳輸，主要包括水文、氣象等數(shù)據(jù)，還可以支持物聯(lián)網(wǎng)設備信息管理、線路管理等操作。

（2）自然資源綜合調查需求，包括自然資源綜合調查任務、記錄管理，并且可以按照時間、線路等信息進行查詢和規(guī)劃，采集信息實時上報至濕地生態(tài)綜合監(jiān)測平臺。

（3）“空地一體”監(jiān)測需求。用戶利用空（無人機應用）+地（地面物聯(lián)網(wǎng)設備及自然資源調查APP），實現(xiàn)室內巡查路線繪制并遠程調動無人機，針對濕地污染監(jiān)測、災害防治等業(yè)務需求進行一體化監(jiān)測預警。

（4）生態(tài)大數(shù)據(jù)智能處理與分析需求。針對場景感知、污染預報、視頻監(jiān)控、氣象土壤數(shù)據(jù)、林木資源統(tǒng)計以及實時數(shù)據(jù)儲存處理等產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，用戶可以進行智能處理分析并進行可視化，以提供決策支持信息。

2 系統(tǒng)技術架構設計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)體系設計

基于濕地保護與管理等各方面需求、濕地環(huán)境主要參數(shù)及GIS、物聯(lián)網(wǎng)等技術，從濕地環(huán)境監(jiān)測與管理實際出發(fā)，綜合應用GIS 技術、無人機、物聯(lián)網(wǎng)等多種現(xiàn)代信息技術，開展空中無人機遙感監(jiān)測、地面濕地氣象和蟲情等監(jiān)測、地下土壤墑情監(jiān)測，從而覆蓋濕地土壤、水文和動植物群體信息采集，構建一個集自然資源展示與采集、自然資源綜合調查、“空地一體”監(jiān)測分析和生態(tài)大數(shù)據(jù)智能分析功能為一體的濕地生態(tài)綜合一體化監(jiān)控體系，如圖1所示。

圖1 濕地生態(tài)綜合監(jiān)測體系

2.2 系統(tǒng)技術架構

系統(tǒng)架構基于B/S 模式架構和Spring Cloud 微服務開發(fā)框架，如圖2所示。數(shù)據(jù)采集層主要由布設在濕地環(huán)境中的各類傳感器及其網(wǎng)絡組成，主要負責監(jiān)測數(shù)據(jù)采集工作。數(shù)據(jù)傳輸層前端物聯(lián)網(wǎng)設備與服務端通過MQ 協(xié)議、Socket 協(xié)議連接，將數(shù)據(jù)傳輸至服務端并分類歸檔存儲至非關系型數(shù)據(jù)庫Mongo DB 中，通過建立數(shù)據(jù)規(guī)范、數(shù)據(jù)模型進行數(shù)據(jù)處理和存儲，并對海量監(jiān)測數(shù)據(jù)進行智能處理、歸類和存儲。應用層采用面向服務的體系結構（SOA）設計，開發(fā)庫采用ArcGIS API for JavaScript，通過 ArcGIS Sever 平臺和本地服務器搭建服務端進行專題數(shù)據(jù)操作，用戶可以通過HTTP 請求與平臺服務器通信。

圖2 系統(tǒng)架構

3 系統(tǒng)主要功能實現(xiàn)

系統(tǒng)采用客戶端通過AndroidStudio2.3 進行開發(fā)，通過調用GIS Sever 接口實現(xiàn)底圖操作，基于HTTP 協(xié)議與服務器通信，服務器使用Spring Cloud 平臺開發(fā)，數(shù)據(jù)庫采用PostgreSQL、MySQL 和Geo database 相結合的方式。通過調用傳感器端接口和物聯(lián)網(wǎng)端集成接口實現(xiàn)基礎環(huán)境數(shù)據(jù)采集，用戶通過Web 端和APP 實現(xiàn)濕地環(huán)境質量查詢、濕地污染地圖分布查看等。

3.1 濕地資源數(shù)據(jù)展示與采集

系統(tǒng)實現(xiàn)了包括濕地的地質地貌、水文水質等基礎空間數(shù)據(jù)，森林資源、氣象水文、有害生物分布等專題數(shù)據(jù)，物聯(lián)網(wǎng)設備分布數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)測，以及科研觀察和巡護等業(yè)務數(shù)據(jù)的集中管理、分析及展示?；贕IS 的可視化管理，將濕地的監(jiān)測、巡護、攝像等所有日常工作統(tǒng)一到二三維系統(tǒng)中，有效反饋濕地監(jiān)測信息，幫助制定治理和預防措施并提供決策支持。綜合基礎數(shù)據(jù)：濕地分布、濕地自然資源分布、濕地衛(wèi)星遙感影像、水體分布、土壤分布、林班分布等。

3.2 自然資源綜合調查

自然資源綜合調查系統(tǒng)集成Web端各大功能模塊和移動端數(shù)據(jù)采集與上報、工程任務管理等功能，包含調查數(shù)據(jù)導入導出、調查點智能導航、生物智能識別、物聯(lián)網(wǎng)設備可視化管理、AI 技術實現(xiàn)生物種類及病蟲害在線識別，實時將結果反饋至系統(tǒng)平臺并自動形成地圖分布，如圖3所示。

圖3 移動端APP 數(shù)據(jù)采集與上報

3.3 “空地一體”監(jiān)測分析

利用空（無人機應用）+地（地面物聯(lián)網(wǎng)設備及自然資源調查APP），從多個維度，針對濕地生態(tài)環(huán)境資源管理、災害防治等業(yè)務需求進行一體化監(jiān)測預警。實現(xiàn)無人機空中遙感監(jiān)測設備、地面物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測設備、自然資源綜合調查系統(tǒng)以及人工監(jiān)測和調查等方面數(shù)據(jù)的上傳統(tǒng)計，濕地整體情況清晰展現(xiàn)，并做到科學、有效地管理，如圖4所示。

圖4 “空地一體”監(jiān)測

3.4 生態(tài)大數(shù)據(jù)可視化與智能分析

通過對濕地監(jiān)測多源數(shù)據(jù)的抓取及融合，實現(xiàn)濕地生態(tài)場景感知、氣象預報、污染預報、數(shù)據(jù)動態(tài)變化監(jiān)測、無人控制、數(shù)據(jù)挖掘、視頻監(jiān)控、氣象土壤數(shù)據(jù)匯總統(tǒng)計、林地資源統(tǒng)計、實時數(shù)據(jù)儲存處理及各項監(jiān)測數(shù)據(jù)的動態(tài)變化展示，全方位挖掘與展現(xiàn)濕地資源數(shù)據(jù)信息，全面掌握濕地的動態(tài)變化情況，提供科學決策的依據(jù)，如圖5所示。

圖5 可視化分析功能

3.5 濕地保護遙控監(jiān)測

濕地保護遙控監(jiān)測系統(tǒng)通過系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)在線遠程對濕地環(huán)境進行監(jiān)測。首先在室內在線繪制、規(guī)劃巡查路線，指定執(zhí)行任務無人機，并在移動端使用專用APP 進行任務接收；結合APP 自動導航功能，遠程控制攝像頭旋轉拍照，最終數(shù)據(jù)采集任務結束并自動上傳到監(jiān)測平臺，任務執(zhí)行結束，平臺自動獲取所有信息，標識任務結束。濕地保護遙控監(jiān)測系統(tǒng)具有一鍵執(zhí)行監(jiān)測任務并將監(jiān)測結果自動上傳、采集圖庫分類匯總管理以及支持矢量數(shù)據(jù)導入、歷史記錄查詢等功能，全程自動化、智能化，如圖6所示。

圖6 濕地保護遙控監(jiān)測平臺

3.6 數(shù)據(jù)推送與預警

系統(tǒng)實現(xiàn)了風向、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、土壤含水率、蒸發(fā)量、降水量、二氧化碳、風速、氣壓等指標的實時一體化監(jiān)測預警并將數(shù)據(jù)實時推送至濕地監(jiān)測平臺。同時還可實現(xiàn)水污染、空氣污染、緊急事件、災害防治等業(yè)務需求自動預警功能，通過其他部門告警聯(lián)動，及時將危害濕地的環(huán)境信息傳遞給相關人員，從而提高預防和處置突發(fā)性事件和風險的能力，以及提升生態(tài)監(jiān)測的信息化、科學化、智能化水平。

4 結語

結合GIS、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)等技術，通過MQ、Socket 協(xié)議接收物聯(lián)網(wǎng)傳感器采集的數(shù)據(jù)，采用B/S 模式構建濕地生態(tài)綜合監(jiān)測系統(tǒng)的方法，實現(xiàn)對濕地生態(tài)系統(tǒng)“實時監(jiān)測-數(shù)據(jù)傳輸-智能分析-智能處理-智能預警”全程信息化、智能化等多方位的綜合監(jiān)測和管理，解決了濕地生態(tài)環(huán)境監(jiān)測體系中的物聯(lián)信息相互獨立、監(jiān)測指標不全面、管理缺乏信息透明化和智能化等問題，建立了“空地一體”的濕地生態(tài)綜合監(jiān)測體系，實現(xiàn)對濕地生態(tài)環(huán)境的實時監(jiān)測、信息處理分析與災害預警。該系統(tǒng)的建立將有效地解決濕地生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中管理手段缺乏信息化和智能化的現(xiàn)狀，為環(huán)保部門科學監(jiān)測提供技術參考。